戴森球知乎 之前那个疑似戴森球的消息现在怎么样了?

2019-03-29 - 戴森球

几个月前就有知友邀请我回答这个问题,但那时候我觉得时机还不成熟。昨天发现自己一年前的回答忽然又多了很多赞,原来是 @Mandelbrot 大神回答了问题。算了算 KIC 8462852 的新闻从2015年10月公布到现在刚好过去一年了,那么这一年里有什么进展呢?下面就来整理总结一下。

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前情提要KIC 8462852是业余爱好者用眼睛在开普勒望远镜的光变曲线中挑出的一颗异常恒星,经耶鲁大学的Tabehta Boyajian分析后发表,标题是Where's The Flux,缩写WTF,实际上就是 What The F**k 的缩写,反映了作者几乎崩溃的心情。

另一位美国天文学家Jason Wright分析了这颗星,提出了外星文明修建的巨星建筑的可能性,瞬间点燃了公众的热情。这颗星在开普勒望远镜中的编号是 KIC 8462852,一些人称它为 WTF星或者 Tabby星。这里我们用发现者的姓氏称其为 Boyajian星(Boyajian's Star)。

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Boyajian星公布后引起了不少学者的兴趣。他们利用各自的资源从不同的角度对这颗星进行了后续观测,Boyajian星的一些特征逐渐浮出水面。

后续观测

Boyajian原始文章中很多解释都基于“Boyajian星没有观测到红外超”这个前提。所以能否找到红外超就成了初步解释Boyajian星的关键。实际上在Boyajian文章发表之前的2015年1月,Spitzer空间红外望远镜就已经对这颗星所在的天区进行了观测,在 3.6 μm 波段没有找到红外超,但在 4.5 μm 波段找到了很弱的红外超(见下图),显著性并没有超过 3σ。

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这表明Boyajian星周围不存在会产生大量红外超的尘埃,但是也不排除一大群解体的彗星这种解释。

此外,2015年10月31日,NASA的IRTF红外望远镜拍摄了Boyajian星的红外光谱,发现它从光谱上看就是一颗很正常的恒星,没有环绕在恒星周围尘埃或者气体,也没有吸积或外流的痕迹。英国天文学家 Thompson 则没有探测到毫米波和亚毫米波的辐射,表明在恒星周围200天文单位的范围内,尘埃云即便存在,总质量也不会超过地球的7.7倍,这实际上排除掉了行星解体这种假说。

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SETI监听

SETI即搜寻地外智慧生命的缩写。Boyajian星发现后立刻就有学者在不同波段进行了检查,以寻找可疑的SETI信号。其中SETI研究所第一时间用艾伦射电望远镜阵列在 1 ~ 10 GHz 内频段进行了监听,结果没有找到流量为 180 ~ 300 Jy 的窄带信号,也没有找到流量大于 10 Jy 的宽带信号。

结合这颗星的距离,信号阈值对应的各向同性辐射功率是 ~ W。与此相比,地球上最大的人造天线——阿雷西博望远镜的各向同性辐射功率只有 W。也就是说,如果在Boyajian星附近用阿雷西博天线对准地球方向发射信号,我们的灵敏度仍然不够探测到它的无线电。

美国METI研究所(主动搜寻地外智慧生命)则在巴拿马的 Boquete 天文台进行了监听,用的手段是寻找光学波段的脉冲,也一无所获,其灵敏度是不存在 25纳秒间隔内每平方米大于67 个光子的信号。同时他们还用艾伦射电望远镜阵列进行了监听,也没有找到 1 ~ 8 GHz 频段内的信号。

美国犹他大学的天文学家检查了 VERITAS 切伦科夫望远镜阵列在 2009 年到 2015 年期间在这颗星附近累积 9 小时的数据,结果没有找到大于每平方米 1 个光子的光学脉冲。

难以解释的持续变暗

哈佛大学天文台从1885年开始累积了超过50万张玻璃底片。2001年启动了DASCH项目,对这些跨度超过一个世纪的底片进行数字化扫描。美国天文学家Schaefer研究了Boyajian星在哈佛照相底片中的存档,发现这颗星在过去一个世纪以来正在持续变暗,速率是每世纪 0.

165 ± 0.013 等,或相当于每年 0.152 ± 0.012%。但是德国天文学家Hippke独立分析数据后发现,这种变暗是底片在校正过程中的误差引起的,并不是恒星真实的变暗,Boyajian星的亮度在过去一百年里基本不变。

他们还检查了德国松纳贝格(Sonneberg)天文台的照相底片,这个天文台从1930年代开始就有计划的扫描天空,其中覆盖Boyajian星附近天区的底片最早可以追溯到 1934年,最晚到1995年,总共有 1200多张。他们发现这60多年里Boyajian星的亮度基本是恒定的,误差正负不超过3%。

另一组美国天文学家Montet和Simon重新处理了开普勒望远镜的测光数据,结果令剧情大反转——至少在开普勒望远镜观测的这3年间,Boyajian星确实存在持续的变暗(如下图所示)。

在观测期间,最初 1000 天的变暗速率是每年 0.341%,这是哈佛照相底片数据在过去一百年得到的平均变暗速率的两倍。在随后的 200 天里,变暗的速度突然进一步加快,总计下降了超过 2%;但在最后的 200 天里亮度几乎不变。这种三段式的变暗过程显然无法用环绕恒星的物质云来解释。

可能的解释2016年9月,最初提出“智慧生命建筑”假说的 Jason Wright发表了一篇论文,总结了多种可能的解释。这些不同的假说大体可以分为六大类:仪器效应;太阳系中的物质;星际云或星际物质;Boyajian星周围的尘埃;Boyajian星周围的其他物质(包括人造物);Boyajian星本身的变化。

下面一一分析可能性。1. 仪器误差。Boyajian在发表论文之前已经详细检查了开普勒望远镜的探测器和数据分析软件;CCD上接收Boyajian星的光子的几个像素都同时出现了变暗,而不仅仅只是某一个像素;望远镜上的4块CCD在不同的时间段都探测到了变暗,说明不是CCD的瑕疵造成的。

还有一些团队也独立检验了原始数据,结论一致,所以这种情况非常不可能。

2. 太阳系中某个天体的遮挡。计算表明,如果遮挡物位于太阳系内部,直径至少要有1天文单位、距离太阳1万天文单位(即柯伊伯带到奥尔特云的尺度)、远离黄道平面(Boyajian星的黄纬为62度)。

考虑到人类对于外太阳系的了解还很少,这种可能性有多大还不清楚。3. 星际物质的遮挡。Boyajian星距离银道面只有6度,在这个方向上可能会出现很多星际物质。

但是别的星没有类似的现象,表明遮挡Boyajian星的一定不是普通的星际物质,一种可能是星际介质中存在的一种称为“小型电离和中性云结构”(SINS)的东西,但是其直径太大,密度也太低。另一种可能是1990年代为了解释脉冲星和类星体光谱提出的一种假想的星际物质:微尺度原子结构(TSAS),但是其几十个天文单位的尺度也太大,密度同样也太低,很难解释Boyajian星。

如果下一次变暗伴随着恒星红化程度的增加或者钠吸收线的增强,可能会支持这种理论。

美国天文学家Valeri Makarov和Alexey Goldin提出了另一种解释:Boyajian星位于一个发射星云DWB 123的西南角上,这个星云可能和另一个星云Simeiz 57(俗称螺旋桨星云,见下图)外围的丝状结构有物理上的联系。

星云中的一团物质可能恰好在我们和Boyajian星之间穿过,这团物质的大小和空间分布不一,但是都和Boyajian星没有联系。而Boyajian最初在光谱中探测到的钠元素的吸收线可能也是这团物质产生的。进一步计算表明,只要太阳系柯伊伯带这样的密度就可以产生观测到的遮掩,而不需要巨大的彗星群。

4. 一团致密的分子云,如博克球状体。这些云团的直径大约是2万天文单位,通常只有在遍布恒星的背景上才能显现出来。Boyajian星周围的星场密度太低,没法辨认出是否存在这类天体。另外博克球状体的密度变化比较平滑,也能够解释 Boyajian星缓慢的亮度变化。如果这种情况属实,那么Boyajian星可能在最近一些年缓慢的运动到了一团这样的分子云的后面,其光变曲线可能是由分子云的密度不均匀引起的。

5. 视线方向上经过的天体的吸积盘。这个盘的直径应该在 100AU量级,中心天体光度非常弱,却具有恒星级的质量才能维持住这么大一个盘。符合这一标准的有可能是恒星演化末期的产物:如年老的白矮星、中子星甚至黑洞。

1992年发现的第一颗太阳系外行星就是围绕一颗中子星的,暗示中子星周围可以形成类似恒星诞生初期的尘埃盘。如果将来Boyajian星重新发生亮度下降,并且顺序和之前相反,那么这种可能性就会大大增加。

6. Boyajian星周围环绕着一个恒星级天体(如黑洞)及其吸积盘。但是它恰好被我们看到的可能性非常小,只有百万分之一。考虑到开普勒望远镜总共才观测20万颗星,所以可能性很小。

御夫座的巨星柱一(ε Aurigae)周围就存在着一个巨大的盘状天体,每27年把主星遮挡一次,每次持续1.5年(如下图)。

类似地,另一颗恒星 TYC 2505-672-1 也会每 69 年就被一团物质几乎完全遮挡,每次持续 3.45 年。但是Boyajian星和它们并不相同,主要原因是柱一和 TYC 2505-672-1 都是巨星,半径超过太阳的 50 倍,因此需要花费数年的时间才能完全挡住主星的圆面。

而Boyajian星是一颗正常的主序星,半径只有太阳的 1.6 倍,第 800 天和第 1500 天的亮度下降对于这么小的一颗星实在是太慢了,要想这么慢,遮掩物到 Boyajian 星的距离必定在几十光年开外,远远超出了 Boyajian 星的引力范围。

7. 环绕在Boyajian星周围的彗星或者其他物质。Boyajian最初的论文里已经讨论过了彗星的情况。罗切斯特大学的Bodman和Quillen认为第二次比较大的光度下降(即第1500天左右的下降)可以用同一群彗星来解释,这群大彗星大部分位于同一条轨道上,可能是由同一次事件产生的,如行星解体或者伴星的引力扰动。

要挡住主星20%的光,需要30颗半径100千米或者300颗半径10千米的彗星。而要想解释第一次(即第800天左右)的下降仍然比较困难,因为第一次的下降更加平滑、缓慢,而所需要的彗星数量分别上升到70颗(半径100千米)或700颗(半径10千米)。

彗星的椭圆轨道偏心率较高,只有通过近星点时才会产生显著的红外超,并且总质量并没有超过Thompson给出的上限。

8. 环绕在Boyajian星周围的低温环状物质。这个环的边缘恰好正对着我们。但是Thompson 的毫米波/亚毫米波观测结果不倾向于存在大量这种物质的可能性,并且这种假说也无法解释在开普勒望远镜整个观测期间出现的持续变暗。

9. 巨型的人造建筑,例如收集恒星能量的电池板组成的戴森球。这也是大多数人所特别关心的。

检验这种可能性有一个简便的方法,就是利用不同材料的吸收特性,比较不同方法得到的恒星距离。电池板是几何吸收体,无差别的遮挡不同波段的星光,而星际物质的吸收对波长较长的红光要弱一些,即红化效应。通过比较不同波段的辐射流量得到恒星距离的方法通常会考虑到红化带来的改正。

而三角视差得到的距离是纯粹的几何效应,与亮度无关。所以如果欧空局的天体测量卫星——GAIA通过三角视差得到的距离比用流量-红化法得到的距离显著偏大,就支持这种可能性。

2016年9月,GAIA卫星发布了第一批数据,Boyajian星的距离是 pc,和光谱方法给出的距离 454±35 pc相比偏小但是基本符合,考虑到GAIA卫星还在搜集数据,目前还远未达到设计精度,期待未来1~2年内新数据公开后距离的精度可以大幅度提高,最终有助于我们甄别这种可能性。

另一种方法是衡量α值(吸收到的能量占恒星总辐射能量的比率)与 γ 值(以废热形式再辐射出去的能量占恒星总辐射能量的比率)的相对大小。以人类为例,太阳能电池板给汽车充电驱动汽车运动,最终转换为零件的摩擦和轮胎与地面的摩擦,令其温度升高,以红外线的形式重新释放,这就是废热。

大体上人类的活动,只要是没有把太阳能以某种形式大规模储存起来,或者以别的形式向外释放(例如用大功率定向激光驱动宇宙飞船或与地外文明联络),都是 α 值与 γ 值基本相等,也就是说收集到的太阳能几乎全部以废热的形式释放。

而根据 Thompson 的结果,Boyajian 星的 γ 值最多不超过 0.2%,而遮挡 Boyajian 星的物体吸收的能量约为α=0.15%,与γ值相符,从这个角度看没有明显矛盾。

戴森球假说可以解释长期的加速变暗。戴森球的建造需要消耗大量的能量,工程刚开始时进度会很慢,但是随着太阳能收集器的面积越来越大,收集到的能量可以进一步用于建造更多的收集器,所以越到后期能量就越充足,因此整个工程是一个不断加速的过程,恒星的亮度会下降得越来越快,符合Montet和Simon观测到的结果。

10. 恒星本身的活动,例如黑子和磁场活动。Boyajian星的自转周期是0.88天,黑子或随恒星一起自转,但是光变曲线的下降中没有符合0.88天的周期,所以不符。作为F型主序星,Boyajian星的外层没有对流区,自转较快,应该不存在明显的活动周期。所以这种假设非常不可能。

11. 恒星极区的黑子,顾名思义就是出现在两极地区的黑子。这一点解释了为什么下降曲线不存在0.88天的周期,而长期的变暗也可以用黑子的面积变大来解释。但是这不符合早型F型主序星的特征,因此不太可能。

12. 恒星本身的脉动。这种情况下恒星的光变往往具有周期性,并且时间尺度也和Boyajian星不符。没有任何一种已知的脉动机制能够解释。因此也不太可能。13. 恒星发生合并后回归正常态的过程。例如恒星与另一个天体(褐矮星或者行星)发生了合并,引力势能转换成辐射,亮度增加,我们观测到的是它发生合并后亮度降低,缓慢回到正常态的过程。

但是无法解释开普勒望远镜观测到的短时间亮度下降,并且对Boyajian星引力能转换为辐射的时标(开尔文-亥姆霍兹时标)是100万年,而不是几年到一百年。或许这样的合并事件会导致其他一些人类尚不了解的过程,因此这种机制的可能性尚不明了。

在其他恒星中寻找类似的现象以Boyajian星为代表的这种现象可能不是个例,寻找更多的样本有助于得到这种事件发生的概率。Boyajian 用软件检查了十几万颗星的开普勒数据,找到了1000个亮度下降幅度超过10%的天体,接着用肉眼一一检查后发现,这些天体都可以用食双星、黑子、仪器误差等已知的现象来解释,Boyajian星的确是一个特例。

Daryll LaCourse检查了开普勒望远镜的延伸任务——K2所获得的16.5 万个天体的光变,也没有发现类似的星。这些都表明Boyajian星发生的是一种非常罕见的现象。

2016年8月,德国天文学家Scaringi等人发现了一颗类似的星EPIC 204278916。在开普勒望远镜对它观测的78天里,亮度在25天内发生了多次下降,其中最大的一次比Boyajian星还要大,下降了65%。

与Boyajian星不同的是,EPIC 204278916是一颗年轻的、刚形成不久的低质量恒星,位于离太阳最近的OB星协——天蝎-半人马星协中。这个区域里集中了大量的气体和尘埃,恒星就是从这些尘埃云中诞生的。

阿塔卡马毫米波阵列(ALMA)的观测显示EPIC 204278916周围确实存在尘埃盘,因此亮度下降自然就可以用尘埃盘的遮挡解释了。但是Boyajian星作为一颗已经成年的星,这种方法解释不通。

Boyajian星的一些关键特征仍然存疑,例如,到底是否存在100年尺度上的持续变暗?如果不存在,又如何解释开普勒望远镜观测到的变暗?如果Montet和Simon的结果是可靠的,那么变暗过程究竟是持续不断的,还是某种反复变暗-变亮-变暗的振荡过程的一小部分?如果是后者,那么这种振荡和短时间内的亮度下降或许不是巧合,也许有某种尚不了解的物理过程正在作用于Boyajian星;如果是前者,我们很可能正在见证一颗恒星由于未知的原因加速消亡的过程。

Beatriz Villarroel等人在过去拍摄的照片中寻找“丢掉的星星”。他们圈定了1000万个目标,比较它们在第一次帕洛玛巡天(POSS-I,摄于1950-1966年)、第二次帕洛玛巡天(POSS-II,摄于1977-1999年)、斯隆数字巡天(SDSS,摄于2000年后)获得的图像。

由于三次巡天有数十年的间隔,如果前一个巡天中的天体在后面的图像中消失了,就是非常可疑的目标。经过好几轮的筛查,他们最终找到了这样一颗星,名字是USNO-B1.0 1084-0241525,亮度只有19等。

结束语

自从发现Boyajian星以来已经过去了整整一年时间,奇特的光变曲线并没有得到满意的解释,疑问反倒增加了。Jason Wright在采访中说Boyajian星是“我们银河系中最神秘的天体”。LCOGT是分布在世界各地的小望远镜组成的高精度自动化网络,有能力对Boyajian星提供不间断的光学监测。

包括绿岸天文台110米射电望远镜、中国贵州500米射电望远镜FAST在内的大型设备也已经、或者将要加入Boyajian星的后续观测。

如果它的亮度下降是周期性出现的,那么遮挡物应该是同一团物体,并且我们有望在明年(2017年)5月份再次看到下降,届时多波段联合观测将会帮助我们解开Boyajian星的谜团。如果条件允许,我会在一年后继续这个系列文章。

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